(57)【要約】【課題】製造プロセスが容易で小型化可能、かつ、高精度な慣性センサおよび慣性測定装置を提供する。【解決手段】基板と、基板上方の圧電膜をパターニングして形成され、基板上に固定されるアンカー部と、圧電膜をパターニングして形成された重錘と、圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定される第１の梁と、圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定される第２の梁とを備え、第１の弾性表面波共振子と第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる加速度を測定可能とすることを特徴とする慣性センサおよびこれを用いた慣性測定装置。【選択図】図１
2010190774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上方の圧電膜をパターニングして形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、
前記圧電膜をパターニングして形成された重錘と、
前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、
前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定される第２の梁とを備え、
前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる加速度を測定可能とすることを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
前記櫛型電極が、前記圧電膜上面に形成された対向する一対の櫛型電極であることを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
【請求項３】
前記第２の梁の他端が前記アンカー部および前記重錘のいずれにも固定されないことを特徴とする請求項１または請求項２記載の慣性センサ。
【請求項４】
前記第２の梁の他端が前記重錘に固定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の慣性センサ。
【請求項５】
前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第３の弾性表面波共振子を有し、一端が前記基板に固定され他端が前記重錘に固定される第３の梁とを備え、
前記第１の弾性表面波共振子と前記第３の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる加速度を測定可能とすることを特徴とする請求項３記載の慣性センサ。
【請求項６】
前記梁が前記重錘に向かって細くなるテーパー形状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項７】
前記重錘の側面側の周囲に空隙を介してストッパが設けられ、かつ、前記重錘の上部に空隙を介して蓋部が設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項８】
前記圧電膜が、前記基板面に垂直に［０００１］方位で配向した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることを特徴とする請求項１ないし請求項７いずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項９】
基板と、
前記基板上方の圧電膜をパターニングして形成された重錘と、
前記重錘の内部の切り欠き部に前記圧電膜をパターニングして形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、
前記重錘の内部の切り欠き部に前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、
前記重錘の内部の切り欠き部に前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定され、前記アンカー部に対して前記第１の梁と反対側に設けられる第２の梁とを備え、
前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる角加速度を測定可能とすることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１０】
前記櫛型電極が、前記圧電膜上面に形成された対向する一対の櫛型電極であることを特徴とする請求項９記載の慣性センサ。
【請求項１１】
基板と、
前記基板上方の圧電膜をパターニングして形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、
前記圧電膜をパターニングして形成された重錘と、
前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、
前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記アンカー部および前記重錘のいずれにも固定されない第２の梁とを備え、
前記第１の梁の前記櫛型電極を挟んで前記圧電膜上面および下面に一対の励振用電極が設けられ、前記第１の梁を励振させ、前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる角速度を測定可能とすることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１２】
前記櫛型電極が、前記圧電膜上面に形成された対向する一対の櫛型電極であることを特徴とする請求項１１記載の慣性センサ。
【請求項１３】
基板と、
前記基板上に固定され、第１の圧電膜で形成されたアンカー部と、
前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上の第２の圧電膜で形成された重錘と、
前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上の第３の圧電膜で形成され、前記第３の圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、
前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上の第４の圧電膜で形成され、前記第４の圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定される第２の梁とを備え、
前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる加速度を測定可能とすることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１４】
基板と、
前記基板上方の第１の圧電膜で形成された重錘と、
前記重錘の内部の切り欠き部に、前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上の第２の圧電膜で形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、
前記重錘の内部の切り欠き部に、前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上の第３の圧電膜で形成され、前記第３の圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、
前記重錘の内部の切り欠き部に、前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上の第４の圧電膜で形成され、前記第４の圧電膜上面の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定され、前記アンカー部に対して前記第１の梁と反対側に設けられる第２の梁とを備え、
前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる角加速度を測定可能とすることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１５】
基板と、
前記基板上に固定され、第１の圧電膜で形成されたアンカー部と、
前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上の第２の圧電膜で形成された重錘と、
前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上での第３の圧電膜で形成され、前記第３の圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、
前記第１の圧電膜と同一材料であり前記第１の圧電膜と略同一平面上での第４の圧電膜で形成され、前記第４の圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記アンカー部および前記重錘のいずれにも固定されない第２の梁とを備え、
前記第１の梁の前記櫛型電極を挟んで前記第３の圧電膜上面および下面に一対の励振用電極が設けられ、前記第１の梁を励振させ、前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる角速度を測定可能とすることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１６】
前記第１の圧電膜、第２の圧電膜、第３の圧電膜、および第４の圧電膜がすべて連続していることを特徴とする請求項１３ないし請求項１５いずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１６いずれか一項に記載の慣性センサと、
前記慣性センサの前記弾性表面波共振子に接続される発振回路とを備え、
加速度、角加速度または角速度を測定することを特徴とする慣性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波共振子を用いた慣性センサおよび慣性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業，電気産業や機械産業などでは、加速度，角加速度，角速度等の慣性を正確に検出できる慣性センサの需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の成分ごとに加速度、角加速度、角速度等の慣性を検出しうる小型のセンサが望まれている。
【０００３】
このような需要に応えるため、シリコンなどの半導体基板にゲージ抵抗と重錘を形成し、重錘に加わる加速度に基づいて基板に生じる機械的な歪みを、ピエゾ抵抗効果を利用して電気信号に変換する加速度センサがある。しかし、ゲージ抵抗やピエゾ抵抗係数には温度依存性がある。このため、このような半導体基板を用いたセンサでは、使用する環境の温度に変動が生じると検出値が誤差を含むようになる。したがって、正確な測定を行うためには、温度補償を行う必要がある。特に、自動車などの分野で用いる場合、−４０℃〜＋１２０℃というかなり広い動作温度範囲について温度補償が必要になるため使用が困難になる。
【０００４】
また、２枚の電極板間の静電容量の変化を利用したセンサが開示されている。このセンサでは、力、加速度、磁気などの作用により、２枚の電極板の間隔に変化を生じさせ、この間隔の変化を静電容量の変化として検出するものである。この方式は，製造コストが安価であるという利点はあるが、形成される静電容量が小さいため、信号処理がむずかしいという欠点がある。
【０００５】
また，特許文献１には，可撓性を持った円盤状の基板に４組の圧電センサを貼り付け，各圧電センサの出力の和および差により加速度を検出するセンサが開示されている。しかしこの方法では，可撓基板の上に圧電センサを貼り付ける構造を持つため，製造上小型化が難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特願平５−２６７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、製造プロセスが容易で小型化可能、かつ、高精度な慣性センサおよび慣性測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様の慣性センサは、基板と、前記基板上方の圧電膜をパターニングして形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、前記圧電膜をパターニングして形成された重錘と、前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定される第２の梁とを備え、前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる加速度を測定可能とすることを特徴とする。
【０００９】
第１の態様の慣性センサにおいて、前記櫛型電極が、前記圧電膜上面に形成された対向する一対の櫛型電極であることが望ましい。
【００１０】
第１の態様の慣性センサにおいて、前記第２の梁の他端が前記アンカー部および前記重錘のいずれにも固定されないことが望ましい。
【００１１】
第１の態様の慣性センサにおいて、前記第２の梁の他端が前記重錘に固定されることが望ましい。
【００１２】
第１の態様の慣性センサにおいて、前記重錘の側面側の周囲に空隙を介してストッパが設けられ、かつ、前記重錘の上部に空隙を介して蓋部が設けられることが望ましい。
【００１３】
第１の態様の慣性センサにおいて、前記圧電膜が、前記基板面に垂直に［０００１］方位で配向した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることが望ましい。
【００１４】
第１の態様の慣性センサにおいて、前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第３の弾性表面波共振子を有し、一端が前記基板に固定され他端が前記重錘に固定される第３の梁とを備え、前記第１の弾性表面波共振子と前記第３の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる加速度を測定可能とすることが望ましい。
【００１５】
第１の態様の慣性センサにおいて、前記梁が前記重錘に向かって細くなるテーパー形状を有することが望ましい。
【００１６】
本発明の第２の態様の慣性センサは、基板と、前記基板上方の圧電膜をパターニングして形成された重錘と、前記重錘の内部の切り欠き部に前記圧電膜をパターニングして形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、前記重錘の内部の切り欠き部に前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、前記重錘の内部の切り欠き部に前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定され、前記アンカー部に対して前記第１の梁と反対側に設けられる第２の梁とを備え、前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる角加速度を測定可能とすることを特徴とする。
【００１７】
第２の態様の慣性センサにおいて、前記櫛型電極が、前記圧電膜上面に形成された対向する一対の櫛型電極であることが望ましい。
【００１８】
本発明の第３の態様の慣性センサは、基板と、前記基板上方の圧電膜をパターニングして形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、前記圧電膜をパターニングして形成された重錘と、前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記重錘に固定される第１の梁と、前記圧電膜をパターニングして形成され、前記圧電膜上面の前記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端が前記アンカー部に固定され他端が前記アンカー部および前記重錘のいずれにも固定されない第２の梁とを備え、前記第１の梁の前記櫛型電極を挟んで前記圧電膜上面および下面に一対の励振用電極が設けられ、前記第１の梁を励振させ、前記第１の弾性表面波共振子と前記第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで前記重錘に加わる角速度を測定可能とすることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第４の態様の慣性測定装置は、上記第１から第３の態様の慣性センサと、前記慣性センサの前記弾性表面波共振子に接続される発振回路とを備え、加速度、角加速度または角速度を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、製造プロセスが容易で小型化可能、かつ、高精度な慣性センサおよび慣性測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態の慣性センサの上面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１の実施の形態の慣性センサの作用を説明する図である。
【図４】第１の実施の形態の慣性センサを用いた慣性測定装置の一例を示すブロック図である。
【図５】第１の実施の形態の慣性センサを用いた慣性測定装置の上面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】第１の実施の形態の慣性センサの製造方法を示す工程順模式断面図である。
【図８】第１の実施の形態の第１の変形例の慣性センサの上面図である。
【図９】第１の実施の形態の第２の変形例の慣性センサの上面図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】第１の実施の形態の第３の変形例の慣性センサの上面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】第１１の実施の形態の第４の変形例の慣性センサの上面図である。
【図１４】第１の実施の形態の第５の変形例の慣性センサの上面図である。
【図１５】第２の実施の形態の慣性センサの上面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ断面図である。
【図１７】第３の実施の形態の慣性センサの動作原理を説明する模式図である。
【図１８】第３の実施の形態の慣性センサの上面図である。
【図１９】図１８のＡ−Ａ断面図である。
【図２０】第３の実施の形態の慣性センサを用いた慣性測定装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。なお、本明細書において慣性センサとは、加速度、角加速度、角速度等の慣性を検出するための主たる検出機構部分を意味する。また、慣性測定装置とは、上記慣性センサに発振回路等の周辺回路を設けることによって、加速度、角加速度、角速度等の慣性を測定する装置を意味するものとする。
【００２３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の慣性センサは、基板と、基板上方の圧電膜をパターニングして形成され、基板上に固定されるアンカー部と、圧電膜をパターニングして形成された重錘とを備えている。そして、この圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定される第１の梁を備えている。また、この圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の第１の梁の櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定される第２の梁とを備えている。そして、第１の弾性表面波共振子と第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる加速度を測定可能とする。
【００２４】
また、本実施の形態の慣性センサは、第２の梁の他端がアンカー部および重錘のいずれにも固定されない。また、圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の第１および第２の梁の櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第３の弾性表面波共振子を有し、一端が基板に固定され他端が重錘に固定される第３の梁とを備え、第１の弾性表面波共振子と第３の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる加速度を測定可能とする。さらに、上記櫛型電極が、圧電膜上面に形成された対向する一対の櫛型電極である。すなわち、いわゆるＩＤＴ電極（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）である。
【００２５】
本実施の形態の慣性センサは、言い換えれば、基板と、基板上に固定され、第１の圧電膜で形成されたアンカー部と、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上の第２の圧電膜で形成された重錘と、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上の第３の圧電膜で形成され、第３の圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定される第１の梁と、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上の第４の圧電膜で形成され、第４の圧電膜上面の櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定される第２の梁とを備えている。そして、第１の弾性表面波共振子と第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる加速度を測定可能とする。さらに、第１の圧電膜、第２の圧電膜、第３の圧電膜、および第４の圧電膜がすべて連続している。ここで、２つの圧電膜が連続しているとは、それぞれの圧電膜の間に巨視的にも微視的にも物理的な境界が存在していないことを意味する。
【００２６】
本実施の形態の慣性センサは、上記構成を有する２軸の加速度が測定可能な加速度センサである。この加速度センサは、異なる梁に設けられた２つの弾性表面波共振子（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：以下、ＳＡＷ共振子ともいう）の共振周波数の差を検出することで加速度を測定する。この際、重錘と梁を同一の連続した圧電膜で形成する。また、２つのＳＡＷ共振子を構成する同一形状の櫛形電極を同一の圧電膜の上面に形成する。この構成により、慣性センサの製造プロセスが容易となり、小型化が可能となるとともに測定の高精度化が実現できる。
【００２７】
図１は、本発明の第１の実施の形態の慣性センサの上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２８】
慣性センサ１００は、基板１と、基板１上の圧電膜７をパターニングして形成され基板１上に固定されるアンカー部２とを備えている。また、重錘４、第１の梁として検出梁５ａ、第２の梁として参照梁６、第３の梁として検出梁５ｂを備えている。アンカー部２、重錘４、検出梁５ａ、参照梁６、検出梁５ｂはすべて同一の圧電膜７をパターニングすることにより、略同一平面に形成されている。
【００２９】
重錘４は圧電膜７および電極層８から形成されている。検出梁５ａ、５ｂは、基板１面内の一方向（ここではＹ方向と定義する）に延在し、一端がアンカー部２に固定支持され、他端が重錘４に固定支持されている。また、参照梁６は、基板１面内のＹ方向に延在し、一端がアンカー部２に固定支持され、他端は、アンカー部２および重錘４のいずれにも固定支持されない。
【００３０】
検出梁５ａ、５ｂ、参照梁６は、圧電膜７上面に形成された対向する一対の櫛型電極１０ａ、１０ｂからなるＩＤＴ電極１０を有している。検出梁５ａ、５ｂ、参照梁６それぞれの櫛型電極１０ａ、１０ｂからなるＩＤＴ電極１０は、すべて同一形状である。このＩＤＴ電極１０と圧電膜７とで、ＳＡＷ共振子１１ａ、１１ｂ、１１ｃが構成されている。ここで、圧電膜７は基板１面と垂直の方向（ここではＺ方向と定義する）に分極されている。
【００３１】
ＳＡＷ共振子の共振周波数ｆは，音速をｖ，隣接するＩＤＴ電極の間隔をｗとすると［数１］式で表される。
【数１】
2010190774.tif 000003
【００３２】
図３は、本実施の形態の慣性センサの作用を説明する図である。慣性センサ１００に基板１面内でＹ軸と垂直の方向（ここではＸ軸方向と定義する）の加速度が加わった場合を考える。
【００３３】
Ｘ軸方向の加速度により、重錘４の重心１２にＸ軸方向の力Ａｘが働き、検出梁５ａおよび５ｂはアンカー部２を中心としてＸ軸方向に屈曲する。この結果、図３に示すように、検出梁５ａにはＹ軸方向の圧縮歪が、検出梁５ｂには引張り歪が生じる。
【００３４】
検出梁５ａおよび５ｂに歪が加わると，歪に応じてＩＤＴ電極１０の対向する櫛歯の間隔ｗが変化し，ＳＡＷ共振子の共振周波数ｆが変化することになる。すなわち、隣接する検出梁５ａおよび５ｂに形成されたＳＡＷ共振子１１ａおよび１１ｂ間の共振周波数の変化を検出することで、Ｘ方向に加わった加速度の大きさを測定することができる。
【００３５】
一方、慣性センサ１００にＹ軸方向に加速度が加わった場合は、検出梁５ａおよび５ｂにはほぼ均等にＹ軸方向の引張り応力が加わる。しかしながら、この引張り応力は非常に小さく、慣性センサ１００はＹ軸方向の加速度に対してはほとんど感度を持たない。
【００３６】
一方、慣性センサ１００にＺ軸方向に加速度が加わった場合は、重錘４の重心１２にＺ軸方向の力が働き、検出梁５ａおよび５ｂはアンカー部２を中心としてＺ方向に屈曲する。この結果、検出梁５ａおよび５ｂの圧電膜７の上面側にはＹ軸方向の圧縮歪が生じる。
【００３７】
弾性表面波（ＳＡＷ）は圧電膜７が電極に接した表面近傍に局在しているので、Ｙ軸方向の圧縮歪によりＳＡＷ共振子の共振周波数に変化が生じる。一方、参照梁６は重錘４に接続されていないので、加速度の影響を受けない。
【００３８】
したがって、参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数は変化しない。すなわち、検出梁５ａあるいは５ｂに形成されたＳＡＷ共振子１１ａ、１１ｂと参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃ間の共振周波数の変化を測定することで、Ｚ方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。
【００３９】
このように、慣性センサ１００においては、Ｘ軸およびＺ軸方向の加速度に関する感度を持つ、２軸加速度センサを実現することができる。
【００４０】
図４は、本実施の形態の慣性センサを用いた慣性測定装置の一例を示すブロック図である。この慣性測定装置は加速度測定装置であり、ＳＡＷ共振子１１ａ、１１ｂ、１１ｃの独立発振を利用したものである。この加速度測定装置は、慣性センサ１００に発振回路および信号処理部を設け、慣性センサ１００にかかる加速度を測定する。図４に示すように、信号処理部は、例えば、周波数弁別器１５ａ、ｂ、演算記憶部１６で構成される。
【００４１】
慣性センサ１００の検出梁５ａに形成されたＳＡＷ共振子１１ａが発振回路１３ａに接続され、検出梁５ｂに形成されたＳＡＷ共振子１１ｂが発振回路１３ｂに接続され、参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃが発振回路１３ｃに接続されている。
【００４２】
発振回路１３ａ〜ｃとしては，例えば公知のコルピッツ型発振回路などが使用でき、それぞれ独自の周波数で自励発振させる。
【００４３】
検出梁５ａに形成されたＳＡＷ共振子１１ａと、参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数の差Δｆ１を第１の周波数弁別器１５ａで読み取り電圧に変換し、演算記憶回路１６に出力する。検出梁５ｂに形成されたＳＡＷ共振子１１ｂと、参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数の差Δｆ２を第２の周波数弁別器１５ｂで読み取り電圧に変換し、演算記憶回路１６に出力する。周波数弁別器１５ａ、１５ｂとしては、問えばフォスター・シーレ回路ないしはレシオ検波回路などを使用することができる。
【００４４】
図５は、本実施の形態の慣性センサを用いた慣性測定装置の上面図であり、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。慣性測定装置１６０は、慣性センサと同一の基板上に周辺回路を同時に作りこんだことを特徴とする。
【００４５】
慣性測定装置１６０においては、Ｓｉ基板１上に形成された周辺回路３３と慣性センサ部とを有する。周辺回路３３には図には示さないが、図４に示す発振回路１３ａ〜ｃ、周波数弁別器１５ａ、１５ｂ、演算記憶回路１６を含む。また慣性センサ部はアンカー部２、重錘４、検出梁５ａ、５ｂ、参照梁６を含む。
【００４６】
アンカー部２にはビアホール３４が設けられており、ＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃの櫛型電極１０ａ、１０ｂと周辺回路３３の発振回路とを接続している。周辺回路３３はすべてＣＭＯＳ回路で形成されている。図６に示すように、Ｓｉ基板１上にまず周辺回路を形成した後、その上に慣性センサ部が形成される。
【００４７】
このように慣性センサ部と周辺回路を一体化してＳｉ基板上に作成することにより、超小型の慣性測定装置を実現できる。また、慣性センサ部と周辺回路を接続する外部配線を除去できるため、寄生容量や寄生インダクタンスが発生せずに高精度の測定が可能になる。さらに外部からの侵入ノイズに強く、また発振回路から外へのノイズ量を著しく減少させることが可能になる。
【００４８】
ここでＸ方向の加速度に対するゲージファクタをＧｘ、Ｚ方向の加速度に対するゲージファクタをＧｚとすると、Ｘ方向の加速度に対する出力ＶｘおよびＺ方向の加速度に対する出力Ｖｚは、それぞれ［数２］式と［数３］式で表される。
【数２】
2010190774.tif 000004
【数３】
2010190774.tif 000005
【００４９】
慣性センサ１００を温度変化がある環境で使用すると、ＳＡＷ共振子の部材である圧電膜７と電極層８が熱膨張を起こすとともに、弾性率も変化する。その結果、加速度以外の要因で周波数に変化が生じることになる。
【００５０】
しかしながら、本実施の形態の慣性センサ１００のように、ＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃがお互いに同一材料、同一形状に形成されていれば、温度変化に伴う寸法や弾性率の変化も同一に現れる。そのため、周波数弁別器１５ａ、１５ｂで２個のＳＡＷ共振子の周波数変化を差動的に取り出すことにより、各ＳＡＷ共振子が同一に受ける温度変化による出力信号の変化を相殺することができる。したがって、加速度Ｇに対してのみ感度を持つ高精度な慣性センサおよびこれを用いた慣性測定装置を得ることができる。
【００５１】
図７は、本実施の形態の慣性センサの製造方法を示す工程順模式断面図である。慣性センサ１００は既存のプロセスを使用して、図７に示すように容易に作製することができる。
【００５２】
まず図７（ａ）に示すように、例えば、表面に酸化膜を形成したＳｉ基板である基板１の表面に犠牲層３２を形成する。犠牲層３２としては、他の膜材料に対して選択エッチングが可能な、無機材料、金属材料、有機材料を使用することが可能であるが、ここでは非晶質シリコンを例に説明する。
【００５３】
次に、同図（ｂ）に示すように、犠牲層３２の上に圧電膜７および電極層８を形成する。圧電膜７として例えば厚さ２μｍのＡｌＮを、電極層８として例えば厚さ２００ｎｍのＡｌを使用し、双方ともスパッタにより作製する。
【００５４】
次に、同図（ｃ）に示すように、公知のリソグラフィーおよびエッチング法を使用して圧電膜７上の電極層８のパターニングを行い、ＩＤＴ電極１０を形成した。
【００５５】
次に、同図（ｄ）に示すように、公知のリソグラフィーおよびエッチング法を使用して圧電膜７のパターニングを行い，検出梁５ａおよび５ｂ、参照梁６、アンカー部２（図示せず）、重錘４（図示せず）の形状を形成する。
【００５６】
次に同図（ｅ）に示すように、犠牲層３２を、ＸｅＦ２をエッチングガスとして使用した選択エッチングにより除去する。
【００５７】
このように、本実施の形態の慣性センサ１００は、同一の圧電膜７をパターニングすることで、検出梁５ａおよび５ｂ、参照梁６、アンカー部２、重錘４を形成可能である。また、ＩＤＴ電極１０も、圧電膜７上面の電極層８の一層をパターニングするだけで形成可能である。したがって、プロセスが容易であるとともに小型化も容易である。また、同一形状のＩＤＴ電極を精度および再現性良く形成可能であるため、高精度な慣性センサが実現できる。
【００５８】
なお、ここでは検出梁５ａおよび５ｂ、参照梁６の３つの梁を用いた２軸の加速度が測定可能な加速度センサおよび加速度測定装置について説明した。しかし、例えば、検出梁５ａと検出梁５ｂ、あるいは、検出梁５ａと参照梁６の２つの梁のみで構成される１軸の加速度が測定可能な加速度センサおよび加速度測定装置であっても、本実施の形態と同様、製造プロセスの容易化、小型化、高精度化といった効果が得られる。
【００５９】
なお、ＳＡＷ共振子が形成される圧電膜として、常温に近い温度で成膜が可能であり、比較的高い圧電定数を持ち、比較的高い品質係数（Ｑ値）を持つ圧電膜が望ましく、基板面に垂直に［０００１］方位で配向した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）が最適であるが、必ずしも両者には限らなくてもよい。
【００６０】
また、ここではアンカー部、重錘、複数の梁の圧電膜がすべて連続している場合を例に説明した。製造プロセスを容易にするためには、このような構成が望ましい。しかし、それぞれの要素を構成する圧電膜に物理的な境界が存在しても、小型化、高精度化といった効果は得られる。
【００６１】
（第１の実施の形態の第１の変形例）
本発明の第１の実施の形態の第１の変形例の慣性センサは、梁が重錘に向かって細くなるテーパー形状を有することを特徴とする。第１の実施の形態においては、２個の検出梁５ａ、５ｂのＸ軸方向の幅を一定にしている。Ｚ方向の加速度が重錘４に加わった場合、検出梁５ａ、５ｂに生じる歪は，検出梁５ａ、５ｂに加わる曲げモーメントに比例する。曲げモーメントは重錘４の重心１２に加わる加速度による力Ａｚと、重心１２と検出梁５ａ、５ｂの各部分の間の距離の積に比例する。
【００６２】
したがって検出梁５ａ、５ｂに生じる歪は，長さ方向（Ｙ軸方向）の分布を持つことになる。これは、ＳＡＷ共振子１１ａ、１１ｂの共振周波数が長さ方向の分布を持つことと同義である。共振周波数に分布があると、全体のＳＡＷ共振子１１ａ、１１ｂの共振のＱ値が低下し、加速度の測定精度が低下するという問題が生じる。Ｘ方向の加速度が加わった場合も基本的に同様の問題が生じる。この問題は，検出梁５ａ、５ｂの幅を重心１２からの距離に応じて変化させ、全体としてテーパー状にすることで解決される。
【００６３】
図８は本発明の第１の実施の形態の第１の変形例の上面図である。本変形例の慣性センサ１１０では、検出梁５ａ、５ｂの幅について、アンカー部２に接している部分の検出梁５ａ、５ｂの幅を大きくし、重錘４に接している部分における幅を小さくする。それとともに、２個の検出梁５ａ、５ｂの距離を、アンカー部２に接している部分を広くし、重錘４に接している部分において狭くしている。このような形状の変形を検出梁５ａ、５ｂに加えることにより、長さ方向の歪分布をほぼ解消し、ＳＡＷ共振子１１ａ、１１ｂの共振のＱ値を上昇することができる。したがって、より精度の高い加速度の測定が実現可能となる。
【００６４】
なお、図８では、参照梁６についても検出梁５ａ、５ｂと同一の形状にしている。ＳＡＷ共振子のおかれる環境を均質化しより高精度な検出、測定を実現する観点からは、このように参照梁６についても検出梁５ａ、５ｂと同様のテーパー形状にすることが好ましい。しかしながら、必ずしも同一の形状でなくとも本変形例の効果は実現される。
【００６５】
（第１の実施の形態の第２の変形例）
本発明の第１の実施の形態の第２の変形例の慣性センサは、ＳＡＷ共振子の電極が、圧電膜下面の平板電極と圧電膜上面の櫛型電極で構成されることを特徴とする。第１の実施の形態においては，ＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃの電極として、圧電膜７上面の電極層８で形成した第１の櫛形電極１０ａと第２の櫛形電極１０ｂを用いたＩＤＴ電極１０を用いた。この場合、単一の電極層８のみで電極を形成できるという利点があるが、検出梁５ａ、５ｂの幅が狭い場合には２個の電極を同一面上に形成するのが難しくなる。
【００６６】
図９は、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例の慣性センサの上面図である。図１０は、図９のＡ−Ａ断面図である。
【００６７】
第１の実施の形態の第２の変形例においては、ＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃの電極が第１および第２の電極層１７および１８を使用して形成される。また，圧電膜としても第１および第２の圧電膜１９、２０を使用して形成される。第１の電極層１７は，検出梁５ａ、５ｂおよび参照梁６の第１の圧電膜１９の上面に全面に形成する。第２の電極層１８は第２の圧電膜２０の上面にあり、櫛形電極１０ａがこの第２の電極層１８をパターニングして形成される。
【００６８】
本変形例においては，櫛型電極１０ａが１本あれば済むので，検出梁５ａ、５ｂの幅が狭い場合にも適用することが可能である。なお、重錘４についても，第１および第２の圧電膜１９、２０、および第１および第２の電極層１７、１８から構成することができる。
【００６９】
（第１の実施の形態の第３の変形例）
本発明の第１の実施の形態の第３の変形例の慣性センサは、重錘の側面側の周囲に空隙を介してストッパが設け、かつ、重錘の上部に空隙を介して蓋部を設けることを特徴とする。すなわち、本変形例の慣性センサ１３０は，第１の実施の形態の慣性センサ１００の周囲に衝撃印加時に破壊を防ぐストッパを加えて封止した慣性センサである。
【００７０】
図１１は、本発明の第１の実施の形態の第３の変形例の慣性センサの上面図である。図１２は、図１１のＡ−Ａ断面図である。
【００７１】
本変形例においては、重錘４の周囲に空隙２４を介して、重錘４と同じ圧電膜７および電極層８からなるストッパ２３が形成されている。さらに接着層２１を介して蓋部２２を形成されており、この蓋部２２により封止を行う。
【００７２】
空隙２４は、重錘４にＸ軸方向の最大計測加速度が加わったときに生じる変位の２〜３倍に設定することが望ましい。Ｘ軸方向に最大計測加速度が加わっても重錘４はストッパ２３に接触せずに測定を行うことが可能であり、かつ最大計測加速度の数倍以上の衝撃荷重が加わった場合は、重錘４がストッパ２３に接触するため、検出梁５ａ、５ｂに過度の応力が加わらず、衝撃破壊を防止することが可能である。また、ストッパ２３は、重錘４や検出梁５ａ、５ｂと同一の材料で同一の工程で作成することができるため、製造時の追加工程は必要がない。
【００７３】
ストッパ２３の上部に接着層２１を介して蓋部２２を接着し、全体を封止する。このとき、重錘４と基板１との間、および重錘４と蓋部２２の間には空隙２５が形成される。空隙２５は、重錘４にＺ軸方向の最大計測加速度が加わったときに生じる変位の２〜３倍に設定することが望ましい。Ｚ軸方向に最大計測加速度が加わっても重錘４は基板１や蓋部２２に接触せずに測定を行うことが可能であり、かつ最大計測加速度の数倍以上の衝撃荷重が加わった場合は、重錘４が基板１や蓋部２２に接触するため、検出梁５ａ、５ｂに過度の応力が加わらず、衝撃破壊を防止することが可能である。
【００７４】
接着層２１としては、エポキシ系やポリイミド系の既知のレジストなどを使用することができる。プリベーク後に蓋部２２を密着してベーキングすることにより接着することができる。
【００７５】
蓋部２２の材料としては、各種基板材料や金属板等を使用することができる。温度サイクルによる破壊を防止するという観点からは、基板１と同じ材料か，熱膨張率の近い材料が望ましい。
【００７６】
（第１の実施の形態の第４の変形例）
本発明の第１の実施の形態の第４の変形例の慣性センサは、ＳＡＷ共振子の前後に反射器を有することを特徴とする。すなわち、第１の実施の形態の慣性センサ１００のＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃを挟んで前後に反射器２６を形成した慣性センサである。
【００７７】
図１３は、本発明の第１の実施の形態の第４の変形例の慣性センサの上面図である。本変形例の慣性センサ１４０においては、検出梁５ａ、５ｂおよび参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃの前後にそれぞれ反射器２６が形成されている。反射器２６は圧電膜７の表面に電極層８を使用してグレーティングを形成することにより作製できる。
【００７８】
ＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃに励起された定在波は、Ｙ軸の正および負方向に伝播していくが、この際、定在波は前後に形成された反射器２６により反射されてＳＡＷ共振子に戻る。したがって反射器２６によりＳＡＷの閉じ込め特性が格段に向上する。よって、共振のＱ値が増大し、周波数の測定精度が向上することになる。なお、反射器２６はＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃと類似の構造をしており、ＳＡＷ共振子１１ａ〜ｃと同一の圧電膜７および電極層８を使用して同時に形成することができる。
【００７９】
（第１の実施の形態の第５の変形例）
本発明の第１の実施の形態の第５の変形例の慣性センサは、慣性センサを２個基板面内に直交して並べることにより、３軸の加速度を測定することを特徴とする慣性センサである。
【００８０】
図１４は、本発明の第１の実施の形態の第５の変形例の慣性センサの上面図である。本変形例の慣性センサ１５０においては、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸およびＺ軸方向の加速度を検出することが可能な第１の慣性センサ部１５０ａと、Ｘ軸方向に延在し、Ｙ軸およびＺ軸方向の加速度を検出することが可能な第２の慣性センサ部１５０ｂを有する。この構成により、慣性センサ１５０は、３軸の加速度を測定可能となっている。
【００８１】
第１の慣性センサ部１５０ａは、第１の実施の形態の慣性センサ１００と同等の構成を備えている。第２の慣性センサ部１５０ｂは、慣性センサ１００とほぼ同等の構成を備えているが、参照梁６を省略している。これは第１の慣性センサ部１５０ａの参照梁６を、第２の慣性センサ部１５０ｂの参照梁としても使用できるためである。
【００８２】
第１の慣性センサ部１５０ａの第１の検出梁５ａに形成されたＳＡＷ共振子１１ａと参照梁６に形成されたとＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数の差をΔｆ１１とし、第２の検出梁５ｂに形成されたＳＡＷ共振子１１ｂと参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数の差をΔｆ１２とする。また、第２の慣性センサ部１５０ｂの第１の検出梁５ａに形成されたＳＡＷ共振子１１ａと参照梁６に形成されたとＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数の差をΔｆ２１とし、第２の検出梁５ｂに形成されたＳＡＷ共振子１１ｂと参照梁６に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数の差をΔｆ２２とする。そうすると、Ｘ、ＹおよびＺ方向の加速度に対する出力Ｖｘ，ＶｙおよびＶｚは，それぞれ以下の［数４］〜［数６］式で表される。
【数４】
2010190774.tif 000006
【数５】
2010190774.tif 000007
【数６】
2010190774.tif 000008
【００８３】
このように、２軸の慣性センサを２組使用することにより、容易に３軸の加速度の測定が可能な慣性センサを構成することが可能である。
【００８４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の慣性センサは、基板と、基板上方の圧電膜をパターニングして形成された重錘と、重錘の内部の切り欠き部に圧電膜をパターニングして形成され、基板上に固定されるアンカー部とを備えている。そして、重錘の内部の切り欠き部に圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定される第１の梁を備えている。また、重錘の内部の切り欠き部に圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の上記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定され、アンカー部に対して第１の梁と反対側に設けられる第２の梁とを備えている。そして、第１の弾性表面波共振子と第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる角加速度を測定可能とする。
【００８５】
本実施の形態の慣性センサは、言い換えれば、基板と、基板上方の第１の圧電膜で形成された重錘と、重錘の内部の切り欠き部に、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上の第２の圧電膜で形成され、基板上に固定されるアンカー部と、重錘の内部の切り欠き部に、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上の第３の圧電膜で形成され、第３の圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定される第１の梁と、重錘の内部の切り欠き部に、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上の第４の圧電膜で形成され、第４の圧電膜上面の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定され、アンカー部に対して第１の梁と反対側に設けられる第２の梁とを備えている。そして、第１の弾性表面波共振子と第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる角加速度を測定可能とする。さらに、第１の圧電膜、第２の圧電膜、第３の圧電膜、および第４の圧電膜がすべて連続している。ここで、２つの圧電膜が連続しているとは、それぞれの圧電膜の間に巨視的にも微視的にも物理的な境界が存在していないことを意味する。
【００８６】
本実施の形態の慣性センサは、２軸の角加速度の測定が可能な慣性センサである。図１５は、本発明の第２の実施の形態の慣性センサの上面図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ断面図である。
【００８７】
この慣性センサ２００は、図１５および図１６に示すように、基板１と基板１上方の圧電膜７をパターニングして形成され、圧電膜７と電極層８との積層構造を有する重錘４を備えている。そして、重錘４の内部の切り欠き部に圧電膜７をパターニングして形成され、基板１上に固定されるアンカー部２を備えている。ここで、圧電膜７は基板面と垂直の方向（ここではＺ方向と定義する）に分極されている。
【００８８】
また、重錘４の内部の切り欠き部に圧電膜７をパターニングして形成され、圧電膜７上面の櫛型電極１０ａ、１０ｂを構成要素とするＩＤＴ電極１０を含む第１の弾性表面波共振子１１ａを有し、一端がアンカー部２に固定され他端が重錘４に固定される第１の検出梁５ａを備えている。第１の検出梁５ａは、アンカー部２からＸ軸の正の方向に延在する。
【００８９】
また、重錘４の内部の切り欠き部に圧電膜７をパターニングして形成され、圧電膜７上面の櫛型電極１０ａ、１０ｂと同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子１１ｂを有し、一端がアンカー部２に固定され他端が重錘４に固定され、アンカー部２に対して第１の検出梁５ａと反対側に設けられる第２の検出梁５ｂとを備えている。すなわち、第２の検出梁５ｂは、アンカー部２からＸ軸の負の方向に延在する。
【００９０】
さらに、重錘４の内部の切り欠き部に圧電膜７をパターニングして形成され、圧電膜７上面の櫛型電極１０ａ、１０ｂを含む第３の弾性表面波共振子１１ｃを有し、一端がアンカー部２に固定され他端が重錘４に固定される第３の検出梁５ｃを備えている。第３の検出梁５ｃは、アンカー部２からＹ軸の正の方向に延在する。
【００９１】
また、重錘４の内部の切り欠き部に圧電膜７をパターニングして形成され、圧電膜７上面の櫛型電極１０ａ、１０ｂと同一形状の櫛型電極を含む第４の弾性表面波共振子１１ｄを有し、一端がアンカー部２に固定され他端が重錘４に固定され、アンカー部２に対して第３の検出梁５ｃと反対側に設けられる第４の検出梁５ｄとを備えている。すなわち、第４の検出梁５ｄは、アンカー部２からＹ軸の負の方向に延在する。
【００９２】
ここで，慣性センサ２００に基板１面内でＸ軸回りの角加速度が加わった場合を考える。Ｘ軸回りの角加速度により、重錘４にＸ軸回りの回転力αｘが働く。そして、検出梁５ｃおよび５ｄはアンカー部２を中心としてＺ軸の正負の方向に屈曲する。この結果、検出梁５ｃの上面側にはＹ軸方向の圧縮歪が、検出梁５ｄには引張り歪が生じる。
【００９３】
検出梁５ｃおよび５ｄの上面側に歪が加わると、歪に応じてＩＤＴ電極１０の対向する櫛歯の間隔ｗが変化し、ＳＡＷ共振子の共振周波数ｆが変化することになる。すなわち、Ｙ軸に沿って配置された検出梁５ｃに形成されたＳＡＷ共振子１１ｃと検出梁５ｄに形成されたＳＡＷ共振子１１ｄと間の共振周波数の変化Δｆｃｄを検出することで、Ｘ軸回りに加わった角加速度の大きさを測定することができる。
【００９４】
一方、慣性センサ２００にＹ軸回りの角加速度が加わった場合は、重錘４にＹ軸回りの回転力αｙが働き、検出梁５ａおよび５ｂはアンカー部２を中心としてＺ軸の正負の方向に屈曲する。この結果、検出梁５ａの上面側にはＸ軸方向の圧縮歪が、検出梁５ｂには引張り歪が生じる。
【００９５】
検出梁５ａおよび５ｂの上面側に歪が加わると、歪に応じてＩＤＴ電極の対向する櫛歯の間隔ｗが変化し、ＳＡＷ共振周波数の変化が生じる。すなわち、検出梁５ａに形成されたＳＡＷ共振子１１ａと検出梁５ｂに形成されたＳＡＷ共振子１１ｂ間の共振周波数の変化Δｆａｂを測定することで、Ｙ軸回りに加わった角加速度の大きさを検出することができる。
【００９６】
ここでＸ軸回りおよびＹ軸回りの角加速度に対するゲージファクタをＧαとすると、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角加速度に対する出力ＶαｘおよびＶαｙは、それぞれ以下の［数７］式と［数８］式で表される。
【数７】
2010190774.tif 000009
【数８】
2010190774.tif 000010
【００９７】
このように、慣性センサ２００によれば、Ｘ軸およびＹ軸回りの角加速度に関する感度を持ち、製造プロセスの容易化、小型化、高精度化可能な２軸角加速度センサを実現することができる。
【００９８】
なお、ここではアンカー部、重錘、複数の梁の圧電膜がすべて連続している場合を例に説明した。製造プロセスを容易にするためには、このような構成が望ましい。しかし、それぞれの要素を構成する圧電膜に物理的な境界が存在しても、小型化、高精度化といった効果は得られる。
【００９９】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態の慣性センサは、基板と、基板上方の圧電膜をパターニングして形成され、基板上に固定されるアンカー部と、圧電膜をパターニングして形成された重錘を備えている。そして、圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定される第１の梁を備えている。また、圧電膜をパターニングして形成され、圧電膜上面の上記櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端がアンカー部および重錘のいずれにも固定されない第２の梁とを備えている。そして、第１の梁の櫛型電極を挟んで圧電膜上面および下面に一対の励振用電極が設けられ、第１の梁を励振させ、第１の弾性表面波共振子と第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる角速度を測定可能とする。  
【０１００】
本実施の形態の慣性センサは、言い換えれば、基板と、基板上に固定され、第１の圧電膜で形成されたアンカー部と、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上の第２の圧電膜で形成された重錘と、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上での第３の圧電膜で形成され、第３の圧電膜上面の櫛型電極を含む第１の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端が重錘に固定される第１の梁と、第１の圧電膜と同一材料であり第１の圧電膜と略同一平面上での第４の圧電膜で形成され、第４の圧電膜上面の櫛型電極と同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子を有し、一端がアンカー部に固定され他端がアンカー部および重錘のいずれにも固定されない第２の梁とを備えている。そして、第１の梁の櫛型電極を挟んで第３の圧電膜上面および下面に一対の励振用電極が設けられている。そして、第１の梁を励振させ、第１の弾性表面波共振子と第２の弾性表面波共振子の共振周波数の差を検出することで重錘に加わる角速度を測定可能とする。さらに、第１の圧電膜、第２の圧電膜、第３の圧電膜、および第４の圧電膜がすべて連続している。ここで、２つの圧電膜が連続しているとは、それぞれの圧電膜の間に巨視的にも微視的にも物理的な境界が存在していないことを意味する。
【０１０１】
第１の実施の形態では加速度を測定する慣性センサ、第２の実施の形態では角加速度を検出する慣性センサを説明した。本実施の形態においては角速度を測定する慣性センサについて説明する。
【０１０２】
本実施の形態の慣性センサを詳細に説明する前に、角速度センサの動作原理を説明する。図１７は、本発明の第３の実施の形態の慣性センサの動作原理を説明する模式図である。
本実施の形態の慣性センサは、コリオリ力を利用して角速度を測定する。
【０１０３】
図１７に示したように、ＸＹＺ３次元座標系の原点位置に振動子８１が置かれているものとする。この振動子８１のＹ軸を中心とする角速度ωｙを測定するには、この振動子８１にＺ軸方向の振動Ｕｚを与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｃｘを検出すればよい。このときに発生するコリオリ力Ｆｃｘは，
【数９】
2010190774.tif 000011
で表される。ここで、ｍは振動子８１の質量、ｖｚは振動子８１の振動についての瞬時の速度、ωｙは振動子８１の瞬時の角速度である。
【０１０４】
図１８は、本発明の第３の実施の形態の慣性センサの上面図である。図１９は、図１８のＡ−Ａ断面図である。
【０１０５】
慣性センサ３００は、図１８および図１９に示すように、基板１と、基板１上方の圧電膜７をパターニングして形成され、基板１上に固定されるアンカー部２と、圧電膜７をパターニングして形成された重錘４を備えている。ここで、圧電膜７は基板面と垂直の方向（ここではＺ方向と定義する）に分極されている。
【０１０６】
そして、圧電膜７をパターニングして形成され、圧電膜７上面の櫛型電極１０ａ、１０ｂを構成要素とするＩＤＴ電極１０を含む第１の弾性表面波共振子１１ａを有し、一端がアンカー部２に固定され他端が重錘４に固定される振動梁３１０を備えている。振動梁３１０は、基板面内のＹ方向に延在する。
【０１０７】
また、圧電膜７をパターニングして形成され、圧電膜７上面の上記櫛型電極１０ａ、１０ｂと同一形状の櫛型電極を含む第２の弾性表面波共振子１１ｃを有し、一端がアンカー部２に固定され他端がアンカー部２および重錘４のいずれにも固定されない参照梁６と備えている。参照梁６も、基板面内のＹ方向に延在する。
【０１０８】
振動梁３１０および重錘４は、圧電膜７，圧電膜７の下面に形成された第１の電極層３０３、および圧電膜７の上面に形成された第２の電極層３０４から構成される。
【０１０９】
そして、振動梁３１０の櫛型電極１０ａ、１０ｂを挟んで圧電膜７上面および下面に一対の励振用電極が設けられている。すなわち、振動梁３１０のアンカー部２に隣接した部分の両側面には、振動梁３１０をＸ軸方向に共振させるための、第１の電極層３０３からなる下部電極３０２ａおよび３０２ｂ、さらに第２の電極層３０４からなる上部電極３０１ａおよび３０２ｂが形成されている。この励振用電極により振動梁３１０を励振させ、第１の弾性表面波共振子１１ａと第２の弾性表面波共振子１１ｃの共振周波数の差を検出することで重錘に加わる角速度を測定可能とする。
【０１１０】
図２０は、本実施の形態の慣性センサを用いた慣性測定装置の一例を示すブロック図である。この慣性測定装置は角速度測定装置である。低周波発振回路３０５により、振動梁３１０の上部電極３０１ａ、３０１ｂと下部電極３０２ａ、３０２ｂの間に交番電圧が印加される。このとき、３０１ａと３０２ａ間の印加電圧と、３０１ｂ，３０２ｂ間の印加電圧は逆相関係とする。すなわち、３０１ａと３０２ａ間に正電圧が印加されたときにＹ軸方向に伸長し、３０１ｂと３０２ｂ間に負電圧が印加されたときにＹ軸方向に収縮するため、振動梁３１０はＸ軸正方向に屈曲する。交番電圧の印加によって、振動梁３１０はＸ軸方向に励振され、重錘４はＸ軸方向に共振振動を行う。低周波発振回路３０５として、コルピッツ発振回路等を使用することができる。
【０１１１】
重錘４がＸ軸方向に共振振動をしているときに、Ｙ軸周りの角速度が生じると、Ｚ軸方向にコリオリ力が発生し、重錘４はＺ軸方向に共振を生じる。このときに振動梁３１０に生じる歪を、振動梁３１０の上面に形成されたＳＡＷ共振子１１ａと、参照梁６の上面に形成されたＳＡＷ共振子１１ｃの共振周波数の差として検出する。このために、発振回路１３、周波数弁別器１５、演算記憶回路１６が第１の実施の形態と同様に設置されている。発振回路１３ａと１３ｂの周波数差は周波数弁別器１５により電圧に変換される。演算記憶回路１６においては、周波数弁別器の信号を平滑化やフィルタリングしたり、発振回路１６の信号を参照して位相検波をおこなったりすることができる。
【０１１２】
このように、慣性センサ３００によれば、製造プロセスの容易化、小型化、高精度化可能な角速度センサを実現することができる。
【０１１３】
本実施の形態のような圧電共振を使用した角速度センサの最も大きな短所は、加振するＸ軸方向の振幅に対して、コリオリ力により励起されるＺ軸方向の振幅が３桁ほど小さく、近接した加振系と検出系の電極間でクロストークが生じると、高感度な角速度の検出が困難になる点である。しかしながら、本実施の形態では、加振系が振幅変調であるのに対し、検出系のＳＡＷ共振子からの信号は周波数変調であり、原理的に電気的なクロストークを生じないという利点がある。
【０１１４】
なお、ここではアンカー部、重錘、複数の梁の圧電膜がすべて連続している場合を例に説明した。製造プロセスを容易にするためには、このような構成が望ましい。しかし、それぞれの要素を構成する圧電膜に物理的な境界が存在しても、小型化、高精度化といった効果は得られる。
【０１１５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、慣性センサ、慣性測定装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる慣性センサ、慣性測定装置等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【０１１６】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての慣性センサ、慣性測定装置が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【０１１７】
１            基板
２            アンカー部
４            重錘
５ａ〜ｄ      検出梁
６            参照梁
７            圧電膜
８            電極層
１０          ＩＤＴ電極
１０ａ、ｂ    櫛型電極
１１ａ〜ｄ    ＳＡＷ共振子
１２          重心
１３ａ〜ｃ    発振回路
１５          周波数弁別器
１５ａ        第１の周波数弁別器
１５ｂ        第２の周波数弁別器
１６          演算記憶回路
１７          第１の電極層
１８          第２の電極層
１９          第１の圧電膜
２０          第２の圧電膜
２１          接着層
２２          蓋部
２３          ストッパ
２４          空隙
２６          反射器
３２          犠牲層
３３                周辺回路
３４          ビアホール
１００        慣性センサ
１１０        慣性センサ
１２０        慣性センサ
１３０        慣性センサ
１４０        慣性センサ
１５０        慣性センサ
１５０ａ      第１の慣性センサ部
１５０ｂ      第２の慣性センサ部
１６０        慣性測定装置
２００        慣性センサ
３００        慣性センサ
３０１ａ、ｂ  上部電極
３０２ａ、ｂ  下部電極
３０３        第１の電極層
３０４        第２の電極層
３０５        低周波発振回路
３０６        タイミング部
３１０        振動梁
【図１】
2010190774.tif 000012
【図２】
2010190774.tif 000013
【図３】
2010190774.tif 000014
【図４】
2010190774.tif 000015
【図５】
2010190774.tif 000016
【図６】
2010190774.tif 000017
【図７】
2010190774.tif 000018
【図８】
2010190774.tif 000019
【図９】
2010190774.tif 000020
【図１０】
2010190774.tif 000021
【図１１】
2010190774.tif 000022
【図１２】
2010190774.tif 000023
【図１３】
2010190774.tif 000024
【図１４】
2010190774.tif 000025
【図１５】
2010190774.tif 000026
【図１６】
2010190774.tif 000027
【図１７】
2010190774.tif 000028
【図１８】
2010190774.tif 000029
【図１９】
2010190774.tif 000030
【図２０】
2010190774.tif 000031